全 文 ：第 41卷 第 1 期
2016年 2 月
林 业 调 查 规 划
Forest Inventory and Planning
Vol． 41 No． 1
Feb． 2016
doi:10. 3969 / j. issn. 1671-3168. 2016. 01. 007
旱冬瓜鲜叶及其凋落物的热解动力学
苏文静1，2，李世友1，2，单保君1，王秋华1，2
(1.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224;2.云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224)
摘要:为了解滇中地区防火树种旱冬瓜(Alnus nepalensis)的鲜叶及其各层凋落物的热解特性，选取
旱冬瓜的鲜叶、L层、F层及 H层凋落物分别进行热重实验，分析了样品的引燃温度、燃尽温度、失
重率、燃烧特性指数、活化能和指前因子。结果表明:旱冬瓜鲜叶、L层、F层、H层凋落物的引燃温
度分别为 200℃、217℃、225℃、257℃，4 种样品的燃烧性能由强到弱排序为:旱冬瓜鲜叶 ＞ L层 ＞ F
层 ＞ H层。
关键词:旱冬瓜;鲜叶及其凋落物;热解动力学;燃烧特性指数;活化能;指前因子
中图分类号:S792. 14;S713 文献标识码:A 文章编号:1671－3168(2016)01－0031－03
Thermal Decomposition of Fresh Leaf and Litter of Alnus nepalensis
SU Wenjing1，2，LI Shiyou1，2，SHAN Baojun1，WANG Qiuhua1，2
(1． College of Civil Engineering，Southwest Forestry University，Kunming 650224，China;
2． Key Laboratory of Forest Disaster Warning and Control，Kunming 650224，China)
Abstract:In order to understand the thermal decomposition characteristics of fresh leaves and litter of Al-
nus nepalensis，fire resistant tree species in Yunnan central area． Alnus nepalensis fresh leaves，litters of
L，F and H layers are selected for TG experiments． Through the analysis of ignition temperature and burn
out temperature，weight loss rate and combustion characteristic index，activation energy and pre exponen-
tial factor，results show that the ignition temperature of Alnus nepalensis fresh leaves and L，F，H litter
layers are 200℃，217℃，225℃，257℃ respectively． The combustion capability of the four samples are
followed the order from strong to weak as Alnus nepalensis fresh leaf，L layer，F layer，H layer．
Key words:Alnus nepalensis;fresh leaves and litter;thermal decomposition;combustion characteristic
index;activation energy;pre － exponential factor
收稿日期:2016－01－22.
基金项目:国家自然科学基金地区项目(31260180).
作者简介:苏文静(1993－)，女，山东威海人，硕士研究生．主要从事森林防火的研究 .
通信作者:李世友(1971－)，男，副教授 . 主要从事森林防火的研究与教学 .
旱冬瓜(Alnus nepalensis)又名蒙自桤木、尼泊尔
桤木，桦木科(Betulacear)桤木属(Alnus)落叶乔木，
广泛分布于云南、四川西南部、西藏东南部、贵州和
广西西部。旱冬瓜的根具有很强的固氮作用，叶子
是优良的有机肥料，可以改良林地土壤，为土壤增
肥。旱冬瓜林下的地表凋落物载量小且含水率高，
陈玉新［1］、王革［2］、李眉慧［3］认为，旱冬瓜是极好的
防火树种，并且有些地区已经将旱冬瓜作为防火隔
离带。旱冬瓜适应能力强、耐干旱贫瘠的特性使其
成为西南林区营造生态林和作为生物防火树种的主
要对象。国内外有很多学者将旱冬瓜作为研究对
象，在旱冬瓜的树枝方面，李世友［4］研究了旱冬瓜
林 业 调 查 规 划
的活枝，通过不同直径的枝条来判断燃烧性的差异;
在旱冬瓜的树皮方面，罗方琼［5］、李世友［6］通过对
旱冬瓜树皮结构特征进行分析，得出滇中地区云南
油杉、云南松、华山松、直杆蓝桉、旱冬瓜 5 个主要造
林树种树皮的阻燃性能最强的是旱冬瓜树皮;在防
火树种的选择方面，李世友［7］、田晓瑞［8］、刘爱荣［9］
都认为旱冬瓜具有较强的抗火能力，属于难燃植物;
Mehta，J. S. ［10］认为，旱冬瓜不仅可以为森林防火做
出贡献，还可以防止土地退化。以上研究是基于枝
条和树皮，对树叶和其林下凋落物的研究很少。旱
冬瓜干旱季节落叶，干燥易燃，采用热重分析的方法
对旱冬瓜鲜叶和上层新鲜凋落物层(L 层)、中层腐
叶层(F层)、下层腐殖土层(H 层)进行研究，可以
为认识旱冬瓜叶的燃烧性能奠定基础。
1 材料与方法
1. 1 样品采集与制备
采样时间为 2015 年 11 月，采样地点位于昆明
东郊的云南省森林自然中心。取胸径 20cm 多株树
上的叶子，将凋落物分 L、F、H 层取样，把样品分类
标记，带回实验室。
将已分类的样品烘干、磨碎、过筛后备用。
1. 2 实验方法
采用 Mettler － Toledo 公司生产的 TGA /SD-
TA851e 型热重 /差热同步分析仪进行热重实验。保
护性气体氮气的流量为 20 ml /min，升温速率为 20
K /min，从 298K 升到 1073K，得出不同样品的热重
曲线图。
2 结果与分析
2. 1 4 种样品热重曲线分析
4 种样品的热重曲线如图 1 所示。TG 曲线反
应了样品质量与温度之间的关系。
从图 1 中可以看出，4 种样品的失重区间主要
为 473 ～ 723K，随着温度的升高，样品的质量逐渐减
少，该阶段主要是纤维素的分解，是热分解的主要阶
段，到 973K左右，质量基本不变，只剩下残余的炭。
旱冬瓜鲜叶、L层、F 层、H 层的质量残余量分别为:
26. 16%、26. 98%、34. 77%、48. 07%。由于不同物
质的成分不同，因此峰值和失重温度会有所差别。4
种样品都经历了失水阶段、快速热解阶段和炭化阶
段。旱冬瓜鲜叶、L层、F层和 H层在失水阶段的失
重率为:9. 05%、12. 37%、13. 35%、9. 04%，在热分
图 1 4 种样品的热重曲线
Fig. 1 TG curves of 4 kinds of samples
解阶 段 的 失 重 率 分 别 为:85. 25%、82. 19%、
81. 13%、78. 11%。利用 Origin 9. 0 数据软件进行
TG曲线上的数据处理，通过运用切线法得出样品的
着火温度和燃尽温度。旱冬瓜鲜叶、L 层、F 层物和
H 层的着火温度分别是 200℃、217℃、225℃、
257℃，燃尽温度分别是 441℃、465℃、473℃、
497℃。从计算数据中看，旱冬瓜鲜叶是最容易燃烧
的，H层是最不容易燃烧的，旱冬瓜鲜叶中含有丰富
的纤维素和半纤维素，生物性状良好，而 H 层中含
有较多的杂质(如土等)不容易分解，因而燃烧温度
会向后推迟。
2. 2 燃烧特性指数分析
参照文献［11］中的燃烧特性指数公式，根据热解
数据，计算 4 种样品的燃烧特性指数参数。即:
P =
［(
dm
dt)max(
dm
dt)mean］
T2e Th
(1)
式中，P为燃烧特性指数;(dmdt)max是最大燃烧速率，
单位是 mg /min;(dmdt )mean是平均燃烧速率，单位是
mg /min，Te 是着火温度，单位是℃;Th 是燃尽温度，
单位是℃。燃烧特性指数越大，越容易燃烧，燃烧特
性越好。旱冬瓜鲜叶、L层、F层和 H层的燃烧特性
指数分别是 9. 806 × 10 －8、6. 390 × 10 －8、4. 318 ×
10 －8、4. 083 × 10 －8。从燃烧特性指数来看，H 层的
数值最小，是最不容易燃烧的且燃烧特性差，旱冬瓜
鲜叶的数值最大，最容易燃烧，燃烧特性好，这与着
·23· 第 41 卷
苏文静等:旱冬瓜鲜叶及其凋落物的热解动力学
火温度和燃尽温度相对应。
2. 3 热解过程的动力学分析
生物质的热分析动力学反应可以遵循:
G(粉末)→Ｒ(残留炭)+ V(气体挥发分)
动力学方程为:
dα
dt = kf(a) (2)
α为失重率，其公式为:
α =
W0 －W
W0 －Wc
=△W
△W
(3)
k为速率常数，其公式为:
k = Aexp(－ EＲT) (4)
式中，A 为指前因子，单位是 min －1，E 是表观活化
能，单位是 J /mol，Ｒ是气体反应常数，单位是 J /K·
mol，数值大小为 8. 314。
f(α)的形式取决于反应级数:
f(α)=(1 － α)n (5)
将式(4)、(5)代入式(2)中得:
dα
dT = Aexp［－
E
ＲT］(1 － α)
n (6)
将升温速率 β = dTdt代入(6)式中得:
dα
dT =
A
β
exp［－ EＲT］(1 － α)
n (7)
采用 Coats － Ｒedfern法对式(7)进行处理，得:
当 n≠1 时，ln［1 －(1 － α)
1 － n
T2
］= ln［AＲ
βE
(1 －
2ＲE
E )］－
E
ＲT (8)
当 n = 1 时，ln［－ ln(1 － α)
T2
］ln［AＲ
βE
(1 － 2ＲTE )］
－ EＲT (9)
假设反应级数为 1，则在 20 K /min 速率下，利
用 ln［－ ln(1 － α)
T2
］对
1
T 作图，截距 α = ln［
AＲ
βE
］，斜
率 b = － EＲ，进而求出活化能 E和指前因子 A。热解
动力学参数见表 1 所示。
从表 1 中可以看出，4 类样品的热分解动力学
模型符合一级动力学模型，假设的 1 级反应是可行
的。4 类生物质的化学成分有所不同，因此，动力学
参数有差别。活化能从大到小排序依次为:H 层、F
层、L层、旱冬瓜鲜叶，指前因子的排序和活化能一
样。H层的活化能高，说明化学性质稳定，热稳定性
好，不易燃烧，旱冬瓜鲜叶的活化能最低，说明热稳
定性不好，容易燃烧。活化能与着火温度、燃尽温
度、燃烧特性指数的顺序相对应，将 4 种样品的燃烧
性从强到弱进行排序，依次为:旱冬瓜鲜叶、L 层、F
层、H层。
表 1 热分解动力学参数
Tab. 1 Parameters of thermal decomposition kinetics
样品名称
温度范围 /
K
E /
(kJ·mol － 1)
A /
min － 1 Ｒ
2
旱冬瓜鲜叶 473 ～ 714 111. 79 0. 030 × 109 0. 98858
L层 490 ～ 738 125. 60 0. 031 × 109 0. 98928
F层 498 ～ 746 131. 98 0. 031 × 109 0. 98982
H层 530 ～ 770 156. 13 0. 035 × 109 0. 98857
3 结论
运用热重分析法对滇中地区主要造林树种旱冬
瓜的鲜叶及其 L、F、H 层凋落物热解，得出以下结
论:4 种样品的热分解反应的区间大致为 473 ～
723K，主要是纤维素的热解;723 ～ 1 073 K范围内的
曲线平稳，主要是剩余的无法热解的炭和灰分等，每
种样品都经过了失水、热分解、成炭 3 个阶段。假设
的一级反应热解模型可行，由热解动力学模型求出
了 4 种样品的活化能、指前因子、着火温度、燃尽温
度、失重率及其燃烧特性指数，综合 6 个指标来看，4
种样品的燃烧性能由强到弱排序为:旱冬瓜鲜叶 ＞
L层 ＞ F层 ＞ H层。
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·33·第 1 期
林 业 调 查 规 划
良好的垂直绿化材料。
4 保护与开发建议
4. 1 加强对植物资源与生态环境的保护
庐山是闻名中外的风景旅游胜地，但随着旅游
业快速发展及游客数量的剧增，致使植物资源及生
态环境的破坏越来越严重，在调查中发现，有相当一
部分色叶植物濒临灭绝。因此，应加大宣传力度，提
高人们的保护意识;运用法制手段，杜绝乱采滥挖等
破坏行为。
4. 2 加强引种驯化，培育新品种
在调查中发现，已被广泛应用在园林中的乡土
色叶植物种类不够丰富，许多的色叶植物在山林中
孤芳自赏，如豆梨、连香树、粉叶柿、庐山白蜡树等尚
未得到合理开发，需要进一步科学开发推广。因此，
应加强这些色叶植物的引种、驯化、繁殖等基础性研
究工作，培育出新品种，为园林和风景区的绿化建设
提供多元化素材。
4. 3 探索建立产业化开发体系
色叶植物除了有较好的观赏价值，还具有很高
的药用、食用、用材等经济价值，如:银杏、四照花、豆
梨等植物的果可以食用;银杏、算盘子、八角枫、榉树
等具有药用价值;银鹊树、鹅掌楸等还具有科研和用
材价值等。因此，在保护的同时，也要挖掘这些植物
资源应用价值，建立产业化开发体系，提高这些植物
资源合理开发的经济效益是今后需要研究的课题。
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